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高速喷气织机定张力卷取机构优化及其改进设计中文摘要 中文摘要 喷气织机高速连续运行，其织物卷取机构的张力稳定性问题十分重要，直接影响 到织物的质量和产量。由于织物卷取过程卷取力矩是时变的，如果张力过大，有可 能造成织造过程中经线断线等问题：若张力过小，可能使织物过松、皱褶甚至会引 起纺织过程中织物跑偏，降低产品的质量。因此，张力稳定性问题一直是从事喷气 织机研究者和使用者长期研究探讨的难题之一。多年来国际上主要喷气织机生产商， 如日本丰田、津田驹、意大利毕加诺等公司一直在致力于这方面的研究，取得了一 些成果，但是他们的研究成果由于知识产权、技术保密、制造成本等问题，我国喷 气织机生产不能直接使用。因此，开展喷气织机定张力卷取机构的改进创新设计研 究，形成具有自主知识产权成果，是提升我国喷气织机产品质量的必由之路。 基于上述原因，本课题以江苏万工集团生产的w g 2 0 0 0 型喷气织机为研究对象， 通过对喷气织机定张力卷布机构的研究分析，提出了一种改进方案，运用现代优化 设计方法对改进方案进行分析研究，构建了动力学模型，然后利用有限元方法对其 机构的主要部件进行可靠性优化设计，并进行实验研究，对相关参数进行了二次优 化，部分研究成果即将应用到生产中。 本论文共分六章，主要研究内容如下： 第一章概论本章通过对国内外喷气织机发展现状的介绍，阐述了本课题的研究 意义。针对喷气织机定张力卷取机构存在的问题，在分析国内外研究现状的基础上， 提出了“高速喷气织机定张力卷取机构优化及其改进设计 的课题，并确立了主要研 究内容。 第二章定张力卷取机构改进方案设计本章通过对w g 2 0 0 0 型喷气织机原有卷布 机构的研究分析，在综合国内外卷布机构优缺点的基础上，提出了两种解决方案，通 过对两种方案比较分析，确立了定张力卷取机构优化改进设计方案。 第三章定张力卷取机构系统数学模型本章首先经过优化设计确定定张力卷取 机构，然后对机构进行动力学分析，构造了其动力学模型。 第四章定张力卷取机构关键零部件有限元分析本章首先建立了机构关键零部 件摩擦盘的二维瞬态温度场厂应力场有限元模型，然后再利用m s c n a s t r a n 有限元软 l 中文摘要高速喷气织机定张力卷取机构优化及其改进设计 件对其进行动力学仿真和分析。 第五章实验研究为了进一步验证理论设计，本课题设计制造了一套新的定张力 卷取机构，对其进行实验研究。通过实验研究，对定张力卷取机构相关参数进行了进 一步优化，使理论模型更加符合实际。 第六章总结本章主要对本文所做的主要研究内容进行了总结和概括，阐述了研 究所取得的初步成绩及不足之处，并对其今后可能研究方向进行了展望。 关键词：高速喷气织机定张力卷布机构优化设计 i l 作者：袁曾燕 导师：芮延年 a b s t r a c t b e e a u s ei e tl o o mc o n t i n u o u s l y i a l nw i t hh i g hs p e e d ，t h ec o n s t a n t t e l l s l o no ft a b n c1 s 唧i m p o 删a n d i td i r e c t l ya f f e c t st h eq u a l i t ya n do u t p u to f f a b r i c i ft h et e n s i l ef o r c ei s t o ob i 舀i tm a y 础c e t h ep r o d u c tu s a g el i f e c o n t r a r i l y ，i tm a yc a b s e t h ef a b n cl o o s ea n d g o 采r e d e s p e c i a l l ya f f e c tt h eq u a l i t yo ff a b r i c k e e p i n g t e n s i l ef o r c es t e a d y1 so n eo t p u 劢ea 1 1t h et i m ef o rj e tl o o mi n v e s t i g a t o r a n dm a n u f a c t u r e r f o rm a n yy e a r s ，t h e i n t e m a t i o n a lj e tl o o mm a n u f a c t u r e r , e g j a p a nt o y o t a , t s u d a k o m aa n di t a l yp 1 c a n o l ，印p l y 也e m s e l v e st ot h i sf i e l da n dt h e ya l s og o ts o m ea c h i e v e m e n t b u tb e c a u s e o fi n f o r m a t i o n p r o p 哪r i 啦，t e c h n i q u es e c r e c ya n d m a n u f a c t u r ec o s t , o u rj e tl o o mp r o d u c t l o nc o u l dn o t d i r e c t l vu t i l i z et h e s ei n v e s t i g a t i o n t h e r e b y ，t od e v e l o p t h ej e t 1 0 0 mc o n s 伽1 tt e n 8 1 0 n c o n v o h 】：t i n ge q u i p m e n t ，i st h eo n l yw a y t oi m p r o v eo u rj e tl o o mp r o d u c t l o nl e v e i b a s e0 n 妇i v er e a s o n , w er e s e a r c h e d w g 2 0 0 0j e tl o o mm a d ei nt h ej 1 a n g s u w a n 9 0 n g 觚o r ya n da n a l y s et h ec o n s t a n tt e n s i o ne q u i p m e n t t h e n an e w1 1 n p r 0 v e d p r o j e c ti sc o m eu p w eu s eo p t i m i z e dd e s i g nm e t h o d t oa n a l y s ea n dd e s l g nt h e1 m p r o v e d e q u i p m e n t ，a n de s t a b l i s ht h ed y n a m i c sm o d e a f t e r w a r d s ，w e u s ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dt o 0 d 血n i z et h ek e yc o m p o n e n t s o m e r e s e a r c ha c h i e v e m e n t sa l r e a d yb e e na p p l l e dm p r a c t i c a lp r o d u c t i o n 啊正st 1 1 e s i sh a ss i xc h a p t e ra n d t h em a i nc o n t e n t sa sb e l l o w ： c h a p t e r1 s u m m a r i z a t i o n f i r s t l y ，b a s e do nt h ei n t r o d u c t i o n o fd o m e s t l c 觚d o v e r s e a si e tl o o md e v e l o p m e n t ，i te x p a t i a t e d t h er e s e a r c hm e a n i n g f o c u s0 nc o n s 僦 t e n s i o nc o n v 0 1 u t i n ge q u i p m e n te x i s t e n tp r o b l e m ，w ea d v a n c e dt h e “h i g hs p e e dj e tl o o m c o n s t 觚tt e n s i o n c o n v 0 1 u t ee q u i p m e n to p t i m i z ea n di m p r o v e dd e s i g n s u b j e c t a n d e s t a b l i s ht h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t s c h 神2p r o j e c td e s i g nf o rc o n s t a n tt e n s i o nc o n v o l u t i n ge q u i p m e n t 砸sc h p 溆 f i r s ta n a l y s et h eo r i g i n a ld e v i c ea n d f i n di t sm a i np r o b l e m ，t h e np u tf o r w a r df 0 1 1 1 s 0 l u t i o n s a c c o r d i n gt 0t h ec o m p a r eo ff o u rs o l u t i o n s ，w ef i n a l l y e s t a b l i s h e dt h ec o n s t a n tt e n s l o n c o n v o l u t i n ge q u i p m e n to p t i m i z e da 1 1 di m p r 0 、，e dd e s i 印p l a i l c h a d t e f3c o n s r a n tt e n s i o nc o n v o l u t i n ge q u i p m e n td y n a m i c sm o d e l 田_ l i sc h a p t e r 觚t l vd e s i g n e dt h es t r u c t u r ea n d d i m e n s i o nf o rt h ei m p r o v e de q u i p m e n t t h e nw ea i l a l y s e m ed y n a m i co fe q u i p m e n ts y s t e ma n d c o n s t r u c tt h ed y n a m i cm o d e l 1 1 1 a b s t r a c t 童垄堕墨堡垫塞鲞垄耋娶垫塑垡些墨苎塾垄堡生 - j - 。_ _ - - _ _ _ _ - - _ _ - - - 。一一。一 c h a p t e r4i m p o r t a n tc o m p o n e n tt h e r m o d y n a m i cf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s f i r s t l yw e e s t a b l i s h e dat w od i m e n s i o n a lt r a n s i e n tt h e r m a la n ds t r e s sc o u p l e df e mm o d e l ，a n dt h e n u s et h em s c n a s t r a nf e ms o f t w a r et os i m u l a t ea n da n a l y s et h ek e yc o m p o n e n t c h a p t e r5e x p e r i m e n tr e s e a r c h w em a n u f a c t u r e da ne x p e r i m e n ts y s t e ma n dh a v e d o n es o m ee x p e r i m e n t v i ae x p e r i m e n t ，w eo p t i m i z e dr e l a t e dp a r a m e t e rf o rc o n s t a n t t e n s i o nc o n v o l u t i n ge q u i p m e n t c h a p t e r6c o n c l u s i o nt h i sc h a p t e rr e v i e w st h em a i n c o n t e n t so ft h et h e s i sa n dm a k e s ac o n c l u s i o na b o u ti t b e s i d e st h a t ，i tp o i n t so u tt h ee x i s t i n gp r o b l e m sa n d t e l l st h ep r o s p e c t a b o u tt h et h e o r yr e s e a r c ha n dt h ea p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：h i g l ls p e e d j e tl o o m sc o n s t a n tt e n s i o nc o n v o l u t i n ge q u i p m e n t o p t i m i z a t i o nd e s i g n a u t h o r ： y u a nz e n g y a n t u t o r ： r u iy a r m i a n i v 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名：袁鳖蕴日研究生签名弧! 歪丝 日 学位论文使用授权声明 期：彻子幺w 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：裹监壶 e l 期：塑墨! 垒趁 导师签名：日期：7 孑y - 。加 高速喷气织机定张力卷取机构优化及其改进设计第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源 “纺织工业是我国的支柱产业之一，关系到国计民生，其出口创汇值占全国总创汇 值的近四分之一，在国民经济中占有举足轻重的地位。在改革开放以后，由于我国纺 织品原料、劳动力资源的丰富及对外贸易政策的改变，使纺织品产量和生产能力均居 世界首位，成了纺织品出1 5 1 大国。在我国加入w t o 后，特别是2 0 0 5 年其他国家取 消我国纺织品出口的配额限制，带给了我国的纺织业巨大的发展空间，各个纺织企业 加快技术进步，引进先进纺织机械，提高纺织水平。同时，也给与纺织业相关的国内 织机工业带来了巨大的外来竞争与挑战。从市场情况来看，织物花色品种的变化越来 越快，要求越来越高，因而织机适应性要加强，生产效率要提高。 由于管理、技术等多种因素的影响，我国织机生产水平低下。近年来，我国每年 以1 5 万台左右的数量引进国外喷气织机，占国内需求量的8 5 左右。为了提高我国 织机的机电一体化技术水平，加快织机向高速化、智能化、通用化的发展步伐，国内 一些大型织机生产厂家正积极开发高档织机或者改造已有的中低档织机，对于织机上 一些关键零部件进行攻关。在织机配套机构中，送经和卷取机构是织机进行连续织造 的条件，并对保持织造过程中经纱张力动态稳定和精确纬密起到重要作用。在织造过 程中，经纱张力系统是一个非线性动态时变系统，受到多方面的影响，而经纱张力是 否稳定直接影响到织造速度和织物质量。因此定张力送经和卷取机构的研究是当今织 造机械中研究的重点和难点。 张力控制，比较通俗的讲，就是要控制卷取物体时保持物体相互拉长或者绷紧的 力。早期的工业应用中j 张力控制并未引起人们足够的重视。直到人们对卷取材料的 质量和表面质量提出越来越严格要求的时候，张力控制技术才逐渐被各国工程师重视 起来。在织造行业，卷取机构中定张力卷绕机构的研究直接关系到织机系统的生产效 率以及产品质量问题。织物加工过程中，为了使织物的质量稳定，张力在生产过程中 应该保持稳定，波动过大就会影响产品质量。如果张力过大，有可能造成化纤网格增 第一章绪论 高速喷气织机定张力卷取机构优化及其改进设计 大使经线断裂，或者影响织物使用寿命等；若张力过小，可能使织物过松而引起跑偏 或者皱褶，产品质量降低。除了织造行业外，在纤维、造纸、塑料薄膜、电线、印刷 品、磁带等轻工业中，带材或线材的收放卷张力对产品的质量也有很重要的影响。 本课题应江苏吴江市万工科技集团有限公司委托，为了适应生产的需要，本着结 构简单、性能可靠、造价低廉的设计思想，对其生产的w g 2 0 0 0 型高速喷气织机的 卷取机构中的定张力卷取装置进行结构改进与优化设计。 1 2 喷气织机的原理及发展趋势 1 2 - 1 喷气织机的概述1 1 2 1 羽 虽然织布生产技术有着悠久的历史，其发展过程历经手工织布、手工机器织布、 普通织机织造、自动织机织造和无梭织机织造五个阶段。但是这只是实现方式上的变 革，在织造的基本原理上却始终没变。一台织机由开口装置( 凸轮开口、多臂开口 提花开口) 、引纬装置( 梭子引纬、喷水引纬、佥l j 杆引纬、喷气引纬、片梭引纬等) 、打 纬装置、送经装置和卷取装置五个核心组成部分。这五个核心组成部分的运动就组成 了一台织机的五大运动：开口、引纬、打纬、送经和卷取。 图1 - l 织机结构简图 s ：经纱1 ：织轴2 ：后梁3 ：分绞棒4 ：综框5 ：达纬机构 6 ：胸梁7 ：卷取辊 一台织机的基本原型如图1 - 1 所示。织机是把两组纱线以直角方向交织而成的设 备，它是一种周期性循环工作的机械，每织入一根纬纱，织机各部分运行一次。织机 通过这种快速循环运动织造织物。 织机的种类繁多，按照织机的引纬方式分为两大类：一类是有梭织机、另一类是 无梭织机。有梭织机价格低廉，结构简单，布边整齐结实，制造容易等优点。然而， 高速喷气织机定张力卷取机构优化及其改进设计第一章绪论 存在着速度低、噪声大、物料消耗多、劳动强度大等缺点，使得在国内外市场对纺织 品的质量标准和品种的花色、幅宽要求越来越高的今天被逐渐淘汰，而被无梭织机所 代替。无梭织机主要分喷气织机、喷水织机、剑杆织机、片梭织机等。在这几种类型 中喷气织机是近年来应用最为广泛的织机之一。 ：j 喷气织机是利用高速流动的空气对纱线表面所产生的摩擦牵引力进行引纬。喷气 织机的速度高( 主轴转速可达1 0 0 0 r m i n ，入纬率高达2 0 0 0 r n m i n ) ，和喷水织机相 比，由于空气的惯性小，且可采用接力引纬，所以喷气织机最适合于大批量生产单色 织物。 喷气织机主要包括五大机构，这五大机构相互配合，从而保证整个织造过程的完 成。 开口机构：开口机构的主运动是开1 2 1 运动，其目的是使穿入综眼的经纱上下分开。 形成梭口，以供纬纱的引入。 引纬机构：引纬机构的主运动是引纬运动，其目的是当织机上由开口机构形成梭 口之后，将纬纱引入梭口。 打纬机构：打纬机构的主运动是打纬运动，其目的是在织机上纬纱引入梭口后， 由筘把引入的纬纱推向织口，使与经纱交织，形成符合设计要求的织物。 打纬机构的作用是： ( 1 ) 以装在筘座上的钢筘把纬纱推向织c 1 形成织物。 ( 2 ) 控制经纱的密度和织物的幅宽。 送经机构：在织造过程中，由于织物不断地被引离织口，必须从织轴上放送出相 应长度的经纱，才能保证织造工艺的连续进行，送经机构通过送经运动来实现的。 卷取机构：在织机上随着织造工艺的进行，必须把织成的织物随时从织口引离， 并卷绕到卷布辊上，以保证织造生产总是在固定的位置上连续进行。将织物有规律的 引离织口并卷到卷布辊上的运动称为卷取运动，卷取运动是由卷取机构来完成。 1 2 2 喷气织机的发展现状小5 1 当今世界上生产制造喷气织机技术水平较高的有日本的丰田( t 0 y o t a ) 公司和日本 津田驹株式会社、比利时必佳乐( p i c a n o l ) 公司、意大利毕加诺( p r o m a t e c h ) 公司 和德国多尼尔( d o r n i e r ) 公司等。这些公司产品以良好的性能、丰富的配置和较高的 3 第一章绪论高速喷气织机定张力卷取机构优化及其改进设计 可靠性赢得了广大的用户，占据了中国喷气织机8 0 以上的市场份额。 国外喷气织机的技术水平一直都在稳步提高，尽管在发展过程中许多公司都遇到 过市场不景气的影响，但产品的开发研制的工作从未中断，通过技术创新使新技术新 工艺不断的在喷气织机上得到应用，机型不断的推陈出新。在电子送经、电子卷取、 电子贮纬、电子引纬应用的基础上，开发并成功应用到喷气织机上的新技术有电动绞 边、电动剪刀、双眼探纬器、气动折入边、独立的边组织电动开口装置、e s h e d 开口 装置、纱罗开口装置、纬纱制动装置、纬纱夹持器、变速织造等；织造品种范围更加 宽广，织造工艺水平与织机取得同步发展，大量的织造工艺经验参数被置入电控箱， 构成织造专家系统；计算机集中监控和管理系统更加完善；织机运行速度也得到较大 提高；人工智能更加完善，实用效果更加理想，规格系列更加丰富。 进入2 1 世纪后，为进一步提高喷汽织机的市场竞争力，制造商在继续挖掘喷气 织机高速、高效潜力的同时，把眼光主要瞄准扩大喷气织机的品种适应性方向。随着 喷气织机引纬机构的新颖设计构思，纬纱的品种、细度适用范围也越来越大，纬纱的 选色最多可达8 色，织物的范围，也逐步由一般服饰面料发展到装饰类织物及少量产 业用织物，并也已向毛圈织物和商标织物拓展。近代国外喷气织机品种适用性已有相 当范围可和剑杆、片梭织机交汇替代，特别是中档、中高档批量大的以三原组织为基 础的坯布类织物，其高速制织能力是其他几种无梭织机不可比拟的。现在喷气织机可 织造从5 0 9 m 2 左右的涤纶仿真丝绸到5 0 0 - 6 0 0 9 m 2 的各类织物的织造，国外喷气织 机最大幅宽已达5 4m ，线速度可达2 5 0 0r n m i n 以上，智能化自动监控系统的应用， 对织机实行了即时信息控制，借助互联网络系统，并可实行远程遥控及传输。 我国自1 9 8 2 年首次由上海织布科研所引进1 2 台日本津田驹( t s u d a k o m a ) 公司 z a 2 0 0 型喷气织机用于试织有关品种以来，国内喷气织机的研究对使用管道片单独供 气和使用异形筘接力喷集中供气的两种喷气引纬技术方面有定论，至今已拥有6 个国 家近1 0 家厂商约3 2 种不同型号的喷气织机约1 1 万台。 目前国内喷气织机的市场竞争进入了发展时期。国产喷气织机在转速、规格、配 置方面都有了明显提高，在2 0 0 2 年北京国际纺织机械博览会上咸阳纺机厂展出的 z a 2 0 9 i 3 3 0 2 n d 1 6 型喷气织机在常规配置的基础上增加了折入边、中分幅、纬纱张 力制动器、双经轴和下置式电子多臂等装置，筘幅为3 3 0 c m ，入纬率高达1 5 5 0 r m i n ， 基本性能参数在实用方面缩小了与国际先进水平的差距，代表了目前国产喷气织机的 4 高速喷气织机定张力卷取机构优化及其改进设计 第一章绪论 最高水平。 近年来随着我国科学技术的进步与发展，国产喷气织机在很多关键技术和环节上 取得了突破性的发展，如：开口机构过去配凸轮开口的多，配多臂机的数量不多，而 现在很少有配凸轮开口装置的。过去机构式多臂机只能在织机5 0 0r r a i n 以下运转， 大大限制了喷气织机高速性能的发挥，而凸轮开口可以开到8 0 0 1 0 0 0r m i n ，这就是 过去喷气织机愿意配置凸轮开口而不愿意配置机械式多臂机的重要原因之一。现今电 子式多臂机如s t a u b l l 2 8 7 1 型可以配置1 0 0 0r m i n 以下喷气织机运转，而它的2 8 6 1 型用以配合8 0 0r m i n 以下的织机运转。 1 3 定张力卷取装置的研究现状7 m 儿町 在卷取机构中，织物由卷取辊引离织口后，经过导布辊卷绕到卷布辊上，形成织 物卷装。随着织造的进行，布卷直径会逐渐增大，为了保持均匀的织物张力，卷布辊 的转速应随布卷直径的增大而降低，以保持布卷圆周线速度的恒定。 按卷布辊传动动力的不同，卷布机构可分为机械传动卷布装置、电动传动卷布装 置和液压传动卷布装置。目前广泛使用的是机械传动卷布装置，其卷布辊的转动动力 是由导布辊通过一系列机械机构传递给卷布辊，使卷布辊上的织物张力保持恒定。 二 j 7 1 3 1 机械传动卷布装置h 7 1 图1 2 ：机上外周传动卷布机构 1 一刺毛辊2 一导布辊3 一布卷4 一加压弹簧5 一布辊托架 机械传动卷布装置按照卷布辊传动方式的不同，又可分为外周传动型和轴心传动 型。外周传动型卷布机构是依靠与布卷外周的摩擦，由卷取辊( 糙面辊) 直接传动布 卷，其结构简单。如图1 - 2 所示，由于弹簧4 的作用，使布卷3 紧压在刺毛辊1 的表 5 第一章绪论高速喷气织机定张力卷取机构优化及其改进设计 面，这样就保证了布卷表面与刺毛辊表面线速度始终保持一致，布卷表面的线速度不 会因直径的变化而变化，从而使织物的张力前后一致。这种形式结构简单，多用在一 般的棉织机上。但是由于布卷表面摩擦力提供动力，布卷表面往往会被拉伤或拉毛， 严重影响产品质量，不适用于大卷装。 ： 图1 - 3 ：平面摩擦卷布机构 l 一卷布辊2 一轴肩3 一轴头4 一链轮5 一挡环 6 一螺母7 一弹簧8 一链条 轴心传动型卷布机构是以摩擦力传动卷布辊的轴心进行卷布，布卷不必压紧在卷 取辊上，当布卷直径增大时，摩擦面之间便会产生打滑现象，以维持织物卷绕线速度 的恒定。如图1 3 为平面摩擦卷布机构，其动力源自卷取辊或卷取轮系带动的链条8 ， 该链条传动链轮4 。卷布辊1 的轴头上有轴肩2 ，链轮4 活套在轴头3 上，5 为挡环， 通过螺母6 与弹簧7 ，将挡环5 和链轮4 压靠在轴肩2 上，卷布辊是靠链轮与轴肩之 间的摩擦力矩带动的。拧动螺母6 ，可以改变织物的张力及布卷的松紧程度。为增加 摩擦力矩，可在链轮两侧面加上毡片等摩擦材料。这种机构结构简单，卷出产品质量 高，但是由于整个过程滑动摩擦严重，摩擦盘寿命降低，磨损后的摩擦盘由于没有反 馈加压装置，当卷取直径增大时，摩擦盘于链轮之间的摩擦力不足以提供卷布辊的转 矩，使得打滑严重卷布辊张力下降。卷布机构工作时需要操作人员不断的调节螺母以 保证张力恒定。 6 高速喷气织机定张力卷取机构优化及其改进设计第一章绪论 由于机械式卷布机构结构简单、应用广泛，国内外学者和使用单位针对机械卷布 机构的缺点进行了大量的研究探索，提出了不同的改进方案。如图1 - 4 所示为上海第 九棉纺厂提出了轴心传动型卷布机构的改进方案。 图l - 4 改进型轴心卷布机构 1 一卷布刺毛轴；2 一大链轮；3 一链条；4 一小链轮： 5 一心轴； 6 一齿轮： 7 一卷布齿轮；8 一卷布齿轮轴；9 一连接轴； 1 0 一外箍体； 1 1 一摩擦皮； 1 2 一调节螺丝：1 3 一卷布辊手轮； 1 4 一卷布辊。 扎凸头； b 凹口。 链轮2 固装在卷取刺毛辊1 上，当卷取刺毛辊传动时，通过链条3 使链轮4 传动。 齿轮6 与齿轮7 啮合，并与链轮4 固装于同一根心轴5 上。所以套于卷布齿轮轴8 上的卷布齿轮7 跟着一起转动。装有摩擦皮1 1 的外箍体1 0 夹于齿轮7 的轮毅上，其 夹持的松紧程度，靠调节螺丝1 2 调节，当夹的较紧时，同齿轮6 一道转动。连接轴 9 穿在卷布辊手轮1 3 和外箍体1 0 的孔内，所以卷布辊手轮，能随卷取刺毛辊转动而 转动。装好木辊时，其上的凹1 3b 正好和卷布辊手轮的凸头a 啮合，卷布木辊上有低 于其表面的凸钉，可钩牢布头，这样卷取刺毛辊卷过来的布，就卷在卷布木辊上了。 随着卷布半径的增大，布的张力增大，但是外箍体1 0 与卷布齿轮7 之间靠摩擦 传动，所以当张力大时，它们之间会自动的打滑，这样就保证了卷布正常进行。 要落布时，只要将卷布辊另一端的芯轴托脚向外拉出，卷布木辊就同卷布手轮分 离，卷好布的木辊落到专用落布车上，十分方便。 7 第一章绪论高速喷气织机定张力卷取机构优化及其改进设计 这种卷布机构与传统的靠摩擦传动的机械卷布机构相比，有很多优点，主要的是： 卷布时不会造成喇叭布，以及由此而造成弄脏、擦伤等坏布。布卷的整齐，有利 于后工序对折整理和检验。卷布容量大。落布方便，落布时不会造成拉毛和擦伤。 但是这种改进型机械轴心卷布机构的扭矩还是由摩擦传动提供，使用一段时间 后，摩擦皮产生磨损，而系统没有反馈补偿装置，则外箍体1 0 与卷布齿轮7 之间的 扭矩降低，当卷布半径增大时，没有足够的扭矩带动卷布辊转动，使张力下降，影响 布卷质量。 1 3 2 电动卷布装置 大筒径圆型针织机上针织物的牵拉卷布装置一般是机械式的。但是，最近德国的 泰洛脱( t e r r o t ) 公司研究了一种新的牵拉卷布装置，它由装于该装置上的直流马达传 动 8 】o 织物的牵拉装置与针筒同步回转，由机器的主传动机构传动。中间一根牵拉辊被 两只轴承座支承在固定的位置上，由安装在该装置上的直流马达传动。马达的电源通 过装在机器底板中央的滑环供给m 。 采用直流电机控制的方法是通过控制电机电枢电流，来控制电动机的输出功率， 就能使织物在卷绕过程中张力恒定。由于输入电枢的电流与转动力矩成线性关系，就 可用电位器刻度作为指示织物牵拉张力刻度的基础。借助于安装于马达和牵拉辊之间 的齿轮传动比以及电子控制系统，就能保持织物上的牵拉力不变。 为了保证在机器起动或制动时织物张力恒定，同时为了消除机器起动和制动过程 中由于摩擦的差异而产生的不良影响，已采取了专门的防备措施。 如图1 5 所示：两个牵拉辊2 ，3 被活络臂杆所支承，且相对地压向固定的传递动 力的中间牵拉辊1 。支承牵拉辊的臂杆可回绕其支点摇摆。牵拉辊2 ，3 对牵拉辊1 的 压力可用拉伸弹簧调节。移动操纵杆进而两个支承臂杆摆动弓 起牵拉辊2 ，3 离开中间 的牵拉辊1 ，于是可使编织下来的织物嵌入钳口。 织物从上往下，首先嵌入牵拉辊1 、3 之间曲钳1 3 ，又相继绕过牵拉辊1 和2 约 1 8 0 0 ，再绕过卷布辊4 或布卷l o ，然后又绕过牵拉辊3 ，再重新进入牵拉辊1 和3 的 钳口，以便最后卷绕到卷布辊4 或布卷1 0 上。这样卷布的动力是由织物本身提供的， 也就是在牵拉辊2 和3 之间的那一段织物提供的。由于三只牵拉辊被一套齿轮传动， 8 高速喷气织机定张力卷取机构优化及其改进设计第一章绪论 它们的圆周速度是相同的，于是绕到卷布辊上的织物长度与牵拉辊传送下去的织物长 度相等，这就保证了卷布张力在整个卷布过程中始终恒定，从而使织物密度始终不变。 图l - 5直流电机传动卷布装置 1 ：中间牵拉辊2 、3 ：牵拉辊4 ：卷布辊1 0 ：布卷m ：直流电动机s ：电位器刻度盘 这种牵拉装置的特点是：结构简单合理，操作方便；受磨损和冲伤的零部件少， 同时能符合高速的大筒径圆纬机对牵拉卷布的要求，前途广阔。但是卷布辊动力由电 机提供，张力控制程序复杂，使得卷取系统造价昂贵，且电动卷布装置一般采用开环 控制，对卷布辊直径的突然增大减小状况无法采取自动扭矩补偿作用。 1 3 3 液压传动卷布装置 液压传动卷布装置是依靠液压系统控制油马达提供给卷布辊变扭矩，以控制布卷 的张力恒定。由于液压系统较为复杂，液压传动卷取装置一般具有通用性，不仅可用 于织造行业的卷布机构，还可以应用于其他印染行业、造纸行业等n 。如图1 - 6 所示 为瑞士生产的液压打卷装置的液压系统，图1 7 为织造机械用液压传动卷布车。 使用时，启动油泵电机，油泵输油，在液压油的作用下，油马达开始转动，输出 扭矩。根据需要，调整变量叶片泵的调压装置，可得到不同的系统压力。调整节流阀 来改变输入油马达的流量，以得到最佳卷绕张力n 小1 2 。 液压系统用2 0 # 机油，在注入油箱时必须经过过滤。环境温度宜在1 5 5 0 0 c 间。 出布打卷时，应先将卷布车与主机出布轧辊保持适当距离，一般约2 5 米，将卷布车 9 第一章绪论高速喷气织机定张力卷取机构优化及其改进设计 定位销插入预先埋在地面下的管内，使它定位。将液压系统小车推到卷布车有花键轴 头一侧，接通电源。将液压系统小车上的油马达轴头的花键轴套，套在卷布车花键轴 头上。开动液压系统的油马达，注意变量叶片泵和卷布轴头的旋转方向是否符合要求， 如不符合应立即调整。待运转正常后，将布紧压在卷布轴上开始卷绕。张力的控制可 通过调整节流阀油量的大小来获得，顺时针旋转节流阀则张力增大，反之减小，一般 卷绕中等厚度的织物，系统压力控制在1 2 2 5 堙m m 2 之间。随着卷轴上布的卷绕直 径增大、转速降低，系统压力会逐渐升高。如张力不适当时，应再微调节流阀。 图1 _ 6 液压打卷装置液压系统 l 一旋钮开关；2 一油马达( y m c - 3 0 型) ；3 1 5 千瓦电动机；4 一压力表( 0 6m p a ) ；5 一变量叶片泵( y b p - 2 5 型) ；6 一节流阀；7 一液压胶管；8 一注 油过滤器：9 一回油管；l o 一出油管；1 1 一油箱 图1 7 液压传动卷布车 l 一卷布辊；2 一张力轮；3 一轴承：4 一定位销；5 一花键轴头；6 一油马达 定位轴；7 一管扶手 1 0 高速喷气织机定张力卷取机构优化及其改进设计第一章绪论 这种液压打卷装置是印染机械进出布、贮存和运输较理想的配套设备。它的特点 是卷绕平整、张力容易控制、容量大、占地省、结构简单、便于推广。其最大卷布直 径可达1 7 米，卷绕中等厚度的织物可达7 0 0 0 米左右，相当于7 个元宝车的容布量， 是改善车间拥挤和提高产品质量较理想的设备。液压打卷装置与电机控制卷布装置一 样也是采用开环控制方法，对卷布辊直径的突然增大或减小状况无法采取自动扭矩补 偿作用，而且由于机油的使用会造成环境的污染。 从上述研究可以看出，近年来高速喷气织机的发展一方面是加强电力电子技术、 计算机技术在喷气织机上的应用，另一方面加强关键结构、零部件的研究。其中定张 力卷取机构的稳定可靠性是国内外专家研究的问题之一。 从国内外对卷取机构的研究情况来看，目前卷取机构主要有三种方式： ( 1 ) 机械式定张力卷取法。该方法具有运行安全可靠、卷布容量大、造价低等特 点，但张力可调性能有滞后现象。 ( 2 ) 电动式定张力卷取法。该方法具有结构简单、调整方便、张力控制精度高等 特点，但是制造成本高，控制程序复杂、使用寿命不高。 ( 3 ) 液压式定张力卷取法。该方法特点是卷取力矩易控制、张力控制精度高，但 造价高且液压系统复杂、系统维护成本高、对环境有污染等缺陷。 本课题在国内外定张力卷取机构的研究基础上，针对江苏万工科技集团有限公司 生产的高速喷气织机特点和要求，拟通过对定张力卷取机构改进和创新设计，构造了 一种结构简单、成本低廉、可靠性高的新型定张力卷布机构。构建的新机构要求具有 如下特点： ( 1 ) 机构通过闭环反馈控制以实现控制精度高，卷布辊张力波动小。 ( 2 ) 结构要简单紧凑，加工方便，制造成本低。 ( 3 ) 机构系统安全可靠，使用寿命长，维修量小。 1 4 本课题主要研究内容 ( 1 ) 通过对原有卷取机构的连杆式触杆及锥面摩擦盘的结构分析研究，以机械式 定张力卷取法为基础，提出不同的设计方案，并对各个方案进行分析研究比较，确定 最终使用方案。 ( 2 ) 对改进的定张力卷取装置进行张力控制分析，并对其杆件零部件和圆盘式摩 第一章绪论 高速喷气织机定张力卷取机构优化及其改进设计 擦离合器的结构尺寸优化设计，确定最优解。然后对整个定张力卷取系统进行的行动 力学分析，建立其数学模型，利用能量法对其摩擦功及摩擦功率进行理论分析。 ( 3 ) 用现代优化设计方法建立了机构关键零部件摩擦盘的二维瞬态温度应力场 有限元模型，然后再利用m s c n a s t r a n 有限元软件对其进行动力学仿真和分析。 ( 4 ) 设计并制造了一套改进的定张力卷取机构，对系统工作性能进行实验研究， 通过实验对理论模型进一步优化，使其能更好地符合实际。 1 5 本章小结 本章首先对高速喷气织机的特点和发展趋势进行了详细阐述，然后分析了目前国 内外定张力卷布机构的方法和研究现状，如机械轴心型卷布机构、直流电机传动卷布 机构和液压打卷装置，并总结上述方法的优缺点。通过比较提出了采用机械式闭环控 制的定张力卷布机构的研究课题。最后阐述了本课题的主要研究工作。 高速喷气织机定张力卷取机构优化及其改进设计第二章定张力卷取机构改进方案设计 第二章定张力卷取机构改进方案设计 2 1 高速喷气织机定张力卷取机构分析 2 1 1 机械式定张力卷取机构整体方案分析n 3 m 4 3 图2 1 锥面摩擦卷布机构 1 刺毛辊：2 、8 链轮；3 内侧摩擦盘；4 夕l 、侧摩擦盘； 5 调节螺母； 6 弹簧； 7 链条；9 卷布辊 如图2 1 为江苏万工科技集团公司生产的高速喷气织机上的轴心传动型锥面摩擦 卷布机构，内侧摩擦盘3 活套在刺毛辊1 的轴上，链轮2 亦活套在该轴上，外侧摩擦 盘4 由花键与该轴连接，内外摩擦盘上设有摩擦面，转动调节螺母5 ，可以改变弹簧 6 对外侧摩擦盘4 的压力，从而该变链轮与摩擦盘之间的摩擦力，以调节卷布张力。 固装在卷布辊9 轴头上的链轮8 由链轮2 通过链条7 带动。卷取辊1 回转时，内侧摩 擦盘3 与外侧摩擦盘4 之间产生的摩擦力矩驱动卷布辊9 回转。当布卷直径逐渐增大 时，其表面的线速度会随之增加，而织物是由卷取辊恒线速输给的，亦即布卷表面的 线速度是不能变的，这就引起织物张力增大，从而拖住布卷，使其转速相应下降，链 翌三雯塞些垄堂坚塑塑整垄查壅堡生童望堕墨堡里室整垄堂坚翌! 塑垡些墨茎墼垄堡生 轮8 和2 的转速亦随之下降，在内外摩擦盘之间就发生打滑，在这种情况下，内外摩 擦盘是靠动摩擦力矩带动链轮2 产生卷布力矩的。当卷布辊直径由小变大时，卷布辊 的重量及卷布张力矩在不断增大。为了适应卷布辊的逐渐增大，并使卷布张力保持均 匀，在摩擦离合器与卷布辊之间设置了卷布辊直径增大反馈装置杠杆式触杆，将 直径增大信息，反馈给摩擦离合器，以逐渐加大摩擦盘正压力来补偿卷布辊传动转矩 的增加，达到卷布张力均匀的目的。设计此机构时，应使卷布辊与卷取辊两者的圆周 表面的线速度相等，以保证从布卷最小直径起就能将布卷紧，这时内外摩擦盘3 、4 与被动链轮之间的摩擦面尚没有打滑，它们是依靠静摩擦力矩传动的；而后，布卷增 大，链轮8 与2 的转速就慢，恒低于外摩擦盘4 的转速，直到卷装完成。调节螺母5 ， 可以改变织物的张力及布卷的松紧。此种机构亦可将摩擦盘结构安排在布辊的轴心线 上，其作用相同。 2 1 2 杠杆式触杆结构分析n 5 m 町n 刀 ( a ) 局部左视图 ( b ) 局部俯视图 图2 - 2 卷布辊直径增大传感器杠杆式触杆空间结构简图 杠杆式触杆属于空间杆系，结构如图2 - 2 所示，图( a ) 为图2 - i 锥面摩擦卷布机 构的左视图，图( b ) 为其俯视图。杆件一端装有滚轮与卷布辊压紧，与毛有共同 的回转中心d l ；连杆一端固定补偿弹簧，另一端与杆件厶通过滑块相连，5 可在连 1 4 高速喷气织机定张力卷取机构优化及其改进设计 第二章定雀塑堂里机构改进方案设计 杆7 4 上滑动；以与，。杆有共同的回转中心q ，t i f f l 。自由端装有滚轮与外摩擦盘接触 提供压紧力，并通过补偿弹簧的作用使压紧力可随卷布辊直径的增大而增大。即通过 改变摩擦盘正压力大小来改变卷布辊传动力矩，达到卷布张力均匀的目的。 图2 - 3 杆件，i 转角几伺关系 当卷布辊直径增大时使杆件绕回转中心d l 的转动角度为伊，若卷布辊半径在某 一时刻瞬时增加量为欲，则由图2 - 3 的几何关系得：在a o a o 。中，由于o a 为卷布 辊初始半径r ，o o , 为卷布辊中心与杆件f l 的回转的空间距离口为已知量，则有余弦 定理得： ：掣(2-2)cos2 i 。 口：a r c c o s 掣) ( 2 - 3 ) 同理，在q 中，o b 为卷布辊转动过程中某一瞬时半径值，则= ，+ 歙 c o s = 坐2 a 筹( r ( 2 3 ) 。 + 做1 。 p = a r c c o s 【钱筹】 ( 2 4 ) 显然，在a o a b 中，z a o b = 口一，因此由余弦定理可得a b 的长度，则： 箜二章定张力卷取机构改进方案设计高速喷气织机定张力卷取机构优化及其改进设计 a b = ( ，+ 尺) 2 + ，2 2 ，( r + a r ) c o s ( a 一) ( 2 5